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1、第二章 图形系统,本 章 重 点1.图形系统的组成（硬件、软件）及功能。2.目前常见的几类图形系统。3.图形输入设备的分类。4.光栅扫描图形显示器。,2.1 图形系统的组成及功能主机硬件 图形外部设备计算机图形系统操作系统系统软件网络软件软件支撑软件应用软件,图形系统的基本功能：1.计算功能 实现图形处理过程中的计算、变换和分析。2.存储功能 存储与图形有关的各类信息（几何、拓扑），并能对其进行检索、增、删等操作。3.输入功能 输入与图形生成和操作相关的各类参数和命令。4.输出功能 在各类图形输出设备上输出图形。5.对话功能 通过各种人-机交互设备实现交互操作。,2.2 图形系统的分类一.PC
2、图形系统,PC 机,键盘,鼠标,打印机,绘图仪,彩色图形显示器 图形适配卡,特点：1.价格低廉，易于使用。2.图形处理主要靠软件和CPU来完成，较难承受三维图形 实时处理时的计算量。改进：配置高档图形卡，如 LeadtekQuadro 6000。,LeadtekQuadro 6000,名称：Leadtek Quadro 6000接口：PCI Express 2.0显存：6144MB(G)DDR5显存位宽：384bit核心频率：575MHz显存频率：3000MHz显存带宽：144GB/s 流处理器：448个统一渲染单元，工作频率1150MHz价格：39999元,二.工作站(Workstation
3、)主要特点：1.运算速度高 采用64位的CPU 采用RISC技术 采用多处理器结构实现并行处理 2.图形处理功能强 配有专用的图形处理硬件子系统。例如 几何处理器GE(Geometry Engines)、图形处理机。显示分辨率高，色彩丰富。3.存储量大 4.操作方式 多任务、多进程 配备UNIX和窗口管理系统(X-window、Motif、OpenLook)普遍采用了超标量、超流水线、超长指令字等先进技术。5.价格较高。主要的厂商：SUN、SGI、IBM、COMPAQ/DEC、HP等。,MIPS R1200 300 MHz,1MB L2 cache,128MB to 1GB Synchrono
4、us DRAM Resolution up to 1600 x1024,三虚拟现实系统-VR(Virtual Reality)虚拟现实系统又称之为虚拟现实环境，是指由计算机生成的一个实时三维空间。虚拟现实技术主要研究交互式实时三维图形在计算机环境模拟方面的应用。虚拟现实系统除了具有常规的高性能计算机系统的硬件和软件外，还必须对下列关键技术提供强有力的支持：1能以实时的速度生成具有高度逼真感的景物图形；2能高精度地实时跟踪用户的头和手；3头带显示器能产生高分辨率图像并有较大的视角；4能对用户的动作产生力学反馈。还需配备有三维输入设备：例如控制球、指套、操纵盒、数据手套等。,2.3 图形外部设备一
5、.图形输入设备 按逻辑功能可分为六类：1.定位（locator）基本功能：输入一个点坐标。典型物理设备：数字化仪（digitizer）图形输入板（teblet）、鼠标器（mouse）、操纵杆（joystick）、跟踪球（track ball）2.笔划（stroke）基本功能：输入一系列点坐标。典型物理设备：数字化仪（digitizer）、鼠标器（mouse）图形输入板（teblet）,美国CALCOMP公司生产的数字化仪,CALCOMP UltraSlate绘图板（图形输入板）,台湾Logitech公司生产的操纵杆,台湾Logitech公司生产的跟踪球（无线和有线）,3.数值（valuator
6、）基本功能：输入一个数据（整数或实数）。典型物理设备：键盘（keyboard）。4.选择（choice）基本功能：给应用程序返回一个整数值，实现某种选择。典型物理设备：功能键。5.拾取（pick）基本功能：拾取一个显示着的图元。典型物理设备：光笔（通常采用软件的方法来模拟）。6.字符串（string）基本功能：输入一串字符。典型物理设备：键盘,二.图形输出设备1.硬拷贝设备 笔式绘图仪（滚筒式、平板式）喷墨绘图仪 数码相机,日图MP5000系列绘图幅面 A3绘图笔数 8笔绘图精度 0.005mm,HP DesignJet 5500PS最高分辨率(dpi)：6001200 打印速度(m2/hr)
7、：17.6 最大打印宽度(mm)：1520 参考报价：142000元,CALCOMP 宽幅喷墨绘图机,理光DC R10 采用 1030万像素的原色CCD，具有3英寸LCD显示屏、28-200mm广角，36482736最高图像分辨率，7.1倍光学变焦镜头，1cm 超微距，光学防抖，168g。优点：1）开机迅速 2）1cm微距拍摄 3）焦距范围大 4）CCD防抖效果明显 5）成像色彩饱和 6）实用的 电子水平仪,尼康D1H，数码相机之经典机型,D1H最重要的性能是具有高速快门和连拍功能,快门速度达到了1/16000秒,每秒高达5张。,尼康D3X,尼康D3X,尼康D3X产品类型：全画幅数码单反相机
8、感光器件：CMOS 最大像素数（万个）：2572 最高分辨率（像素）：6048 4032 显示屏尺寸（英寸）：3 快门速度：30秒-1/8000秒 连拍模式：最高达每秒11张续航能力：4400张重量：1220克（无电池）,单电相机,索尼 Nex7,传感器类型 Exmor APS HD CMOS 最大象素数：2470万像素 有效像素 2430万最高分辨率：60004000快门速度：30-1/4000秒连拍：速度优先连续拍摄模式，最高10张/秒镜头说明：索尼E卡口镜头显示屏：3英寸，可旋转重量：291g（仅机身）,2.显示设备 1)光栅扫描显示器 基本结构及工作原理,特点：光栅扫描式显示器是一种画
9、点设备，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。每个可寻址的点阵单元称为一个像素（pixel）。显示器在水平和垂直方向上能够寻址的像素数称为分辨率。锯齿现象 走样（aliasing）,2）LCD显示器基本原理 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩。液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。,LCD显
10、示器的基本指标可视角度：能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。点距：两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.280.32mm就能得到较好的显示效果分辨率：指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积,3)帧缓存(frame buffer)屏幕上的像素点和帧缓存中的存储单元之间具有一一对应的关系，所以帧缓存的单元数至少等于当前分辨率下的屏幕象素总和。对于黑白图形只有黑白两级灰度，因此每个像素只需一个bit表示，通常将其称之为一个位面(plan)。对于彩色图形，则需要若干个bit来表示每个像素的颜色值，也就是需要若干个位面。若
11、设位面数为n，那么所能表示的颜色总数为2的n次方。,00001010,10101100,01001011,D/A,D/A,D/A,红,绿,蓝,CRT光栅,彩色电子枪,帧缓冲存储器,8,8,8,N,寄存器,问题：若光栅扫描式显示器的分辨率为 1024 768 要使屏幕上可显示的色彩总数达到 224种 帧缓冲存储器的容量至少应该多大？,答案：1024 768 3B=2304 KB=2.25MB 帧缓冲存储器的容量应该 3MB,4)彩色表技术目的：以较小的帧缓存来达到在较大范围内挑选颜色的能力。,01000011,0,255,67,1001 1010 0001,R,G,B,帧缓存,彩色表,显示器,5
12、)显示处理器（GPU）显示处理器+帧缓存 显卡 图形处理器 图形处理硬件子系统,2.4 图形软件1.图形软件的组成1）零级图形软件：解决图形设备与主机的通讯、接口等问题，又称设备驱动程序。2）一级图形软件：包括生成基本图形元素、对设备进行管理的各程序模块，又称基本子程序。3）二级图形软件：建立图形数据结构，定义、修改和输出图形；以及建立各图形设备之间的联系，具有较强的交互功能。也称功能子程序4）三级图形软件：为解决某种应用问题的图形软件，是整个应用软件的一部分。,2.基本图形软件（支撑软件）1）内容：系统管理程序、定义和输出基本图素和复合图素的程序、图形变换（包括几何变换、裁剪等）程序、实时输
13、入处理程序、交互处理程序。2）常见支撑软件高级语言（扩充了图形处理子程序包）：Turbo C、Turbo Pascal、NDP FORTRAN、Delphi、VB、VC等交互式图形软件（与硬件平台有关）微机：AutoCAD、3DSMAX、MicroStation、SoftImage 3D等。工作站：Euclid、IDEAS、Unigraphics、MAYA等。,2.5 图形标准 目的：将图元的绘制、交互操作、图形设备的驱动、图形文件的存储和传送等标准化，便于图形应用程序的开发和移植。1.基本图形交换规范 IGES 定义了一套表示图形系统中常用的几何和非几何数据的格式以及相应的文件结构，解决不同
14、图形系统间的数据传送问题。2.图形核心系统 GKS 定义了一个独立于语言的图形系统核心，提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的标准功能接口。3.程序员级层次结构图形系统 PHIGS 为应用程序员提供的控制图形设备的子程序接口标准。便于描述多层次的应用模型。,4.计算机图形设备接口 CGI 提供一种与设备无关的虚拟图形设备驱动程序的标准。5.计算机图形元文件 CGM 定义了一套与设备无关的图形文件格式，提供了随机存取、传送图形文件，以及将不同图形系统所产生的图形集成到一起的手段。,本 章 小 结1。计算机图形系统与一般计算机系统的主要区别在于强调图形 处理能力。因此，对主机的要求相对较高，并配有相应的图 形外部设备和图形软件。2。目前常用的图形系统从应用层次上来分主要有PC图形系统、工作站和虚拟现实系统等三类。3。图形输入设备按逻辑功能可分为六类，每一类逻辑功能都可 由一些相应的图形设备来实现。4。光栅扫描显示器是一种画点设备，当前显示的图形信息是存 放在帧缓存中。5。为了实现图形操作的标准化，便于图形应用程序的开发和移 植，定义了一些相关的图形标准。,
